DE102006008300A1 - Highly efficient phosphor from oxynitridosilicates with cation, used in white light emitting diodes - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches Gebiettechnical area
Die Erfindung geht aus von einem Oxinitrid-Leuchtstoff und betrifft außerdem eine Lichtquelle, insbesondere LED, mit einem derartigen Leuchtstoff. Der Leuchtstoff gehört der Klasse der Sione an. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellverfahren für einen derartigen Leuchtstoff.The The invention is based on an oxynitride phosphor and relates Furthermore a light source, in particular LED, with such a phosphor. The phosphor belongs the class of the sione. The invention further relates to a production method for one such phosphor.
Stand der Technikwas standing of the technique
Die WO-A 2005/030905 beschreibt einen Leuchtstoff und ein Herstellverfahren für ein Misch-Sion, der ein Oxinitridosilikat der Formel MSi2O2N2 (M = Ca, Sr, Ba) darstellt, das mit zweiwertigem Eu aktiviert ist, unter evtl. weiterer Zugabe von Mn als Koaktivator, wobei der Leuchtstoff überwiegend oder allein, also zu mehr als 50% des Leuchtstoffs, bevorzugt zu mehr als 85% des Leuchtstoffs, aus einer HT-Phase besteht. Diese HT-Modifikation zeichnet sich gegenüber der NT-Phase dadurch aus, dass sie breitbandig anregbar ist, nämlich in einem weiten Bereich von 50 bis 480 nm, insbesondere 150 bis 480 nm, besonders bevorzugt von 250 bis 470 nm, dass er eine extrem hohe Stabilität gegen äußere Einflüsse besitzt, also bei 150°C an Luft keine messbare Degradation zeigt, und dass er eine extrem gute Farbortstabilität unter wechselnden Bedingungen zeigt. Weitere Pluspunkte sind seine geringe Absorption im Roten, was besonders bei Leuchtstoffmischungen vorteilhaft ist. Ein Überwiegen der HT-Modifikation ist u.a. daran erkennbar, dass der kennzeichnende Peak der NT-Modifikation im XRD-Spektrum bei etwa 28,2° eine Intensität von weniger als 1:1, bevorzugt weniger als 1:2, im Vergleich zum Peak mit höchster Intensität aus der Dreiergruppe der Reflexe der HT-Modifikation, die im XRD-Spektrum bei 25 bis 27° liegen, aufweist.WO-A 2005/030905 describes a phosphor and a preparation method for a mixed Sion, which is an oxinitridosilicate of the formula MSi 2 O 2 N 2 (M = Ca, Sr, Ba), which is activated with divalent Eu, under evtl Further addition of Mn as coactivator, wherein the phosphor predominantly or alone, that is to say more than 50% of the phosphor, preferably more than 85% of the phosphor, consists of an HT phase. This HT modification is distinguished from the NT phase in that it can be excited in a broadband manner, namely over a wide range from 50 to 480 nm, in particular from 150 to 480 nm, particularly preferably from 250 to 470 nm, to an extremely high level Stability against external influences, so at 150 ° C in air shows no measurable degradation, and that it shows an extremely good color stability in changing conditions. Other pluses are its low absorption in the red, which is particularly advantageous in phosphor mixtures. A predominance of the HT modification is evident inter alia from the fact that the characteristic peak of the NT modification in the XRD spectrum at about 28.2 ° an intensity of less than 1: 1, preferably less than 1: 2, compared to the peak with highest intensity from the triad of reflections of HT modification, which are in the XRD spectrum at 25 to 27 °, has.
Die WO-A 2004/039915 offenbart einen Leuchtstoff und eine Lichtquelle mit einer Kristallstruktur im orthorhombischen System. Das Sion hat die Stöchiometrie MSi2O2N2:Eu. Es ist beispielsweise ein Misch-Sion mit M = (Sr,Ba), wobei bevorzugt das molare Verhältnis Sr:Ba bei 6:4 bis 9:1 liegt.The WO-A 2004/039915 discloses a phosphor and a light source with a crystal structure in the orthorhombic system. The sion has the stoichiometry MSi2O2N2: Eu. It is, for example, a mixed sion with M = (Sr, Ba), wherein preferably the molar ratio Sr: Ba is at 6: 4 to 9: 1.
Darstellung der Erfindungpresentation the invention
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leuchtstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, dessen Effizienz möglichst hoch ist. Eine weite re Aufgabe ist es, eine Lichtquelle mit diesem Leuchtstoff sowie eine Verfahren zur Herstellung dieses effektiven Leuchtstoffs anzugeben.It Object of the present invention, a phosphor according to the preamble of claim 1, the efficiency of which possible is high. Another task is to create a light source with this phosphor and a method of making this effective phosphor specify.
Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, 13 bzw. 17 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.These Tasks are characterized by the characterizing features of the claim 1, 13 and 17 solved. Especially advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
Bisher gibt es keinen gelb emittierenden Leuchtstoff hoher Effizienz, der gleichzeitig unempfindlich gegen äußere Einflüsse ist und außerdem durch Blau- bzw. UV-Strahlung, insbesondere durch Primärstrahlung von LEDs, gut anregbar ist. Da der erfindungsgemäße Leuchtstoff sowohl durch Blau- als auch durch UV-Strahlung, gut anregbar ist, eignet er sich auch für andere Lichtquelle, bei denen eine Anregung in diesem Spektralbereich möglich ist, wie beispielsweise Hg-Niederdruck-Leuchtstofflampen, als Verschiebepigment in Verbindung mit blau-grünen elektrolumineszenten Leuchtstoffen oder auch im Zusammenhang mit Lampen, die Molekularstrahlung von Metalliodiden wie Indiumiodid verwenden.So far There is no high efficiency yellow emitting phosphor which at the same time insensitive to external influences and also by Blue or UV radiation, in particular by primary radiation of LEDs, good excitable. As the phosphor according to the invention by both Blue as well as by UV radiation, is well excitable, it is suitable also for other light source, where an excitation in this spectral range possible is, such as Hg low-pressure fluorescent lamps, as a shift pigment in conjunction with blue-green electroluminescent phosphors or related to Lamps, the molecular radiation of metal iodides such as indium iodide use.
Ausgangspunkt der neuen Erfindung ist die überraschende Erkenntnis, dass es eine weitere Phase des Sion-Leuchtstoffs gibt, die nur in der Mischung zwischen Sr-Ba, aber nicht im reinen Sr-Sion und Ba-Sion auftritt. Sie verhält sich anders und zeigt andere XRD-Reflexe als die bisher bekannten Sione. Kennzeichnendes Merkmal dieser neuen Phase ist, dass die Dominanzwellenlänge nicht, wie eigentlich zu erwarten, zwischen der des Sr-Sions und der des Ba-Sions, bezogen auf einen gegebenen Eu-Dotiergehalt, sondern überraschenderweise deutlich langwelliger als die Dominanzwellenlänge des entsprechenden Sr-Sion ist, nämlich um mindestens 6 nm zu längeren Wellenlängen hin verschoben. Typisch ist eine Verschiebung von 8 bis 10 nm. Die Phase lässt sich darstellen als M1-cSi2O2N2:Euc mit M = Sr1-xBax.The starting point of the new invention is the surprising finding that there is another phase of the Sion phosphor which occurs only in the mixture between Sr-Ba but not in the pure Sr-Sion and Ba-Sion. It behaves differently and shows different XRD reflexes than the previously known Sione. A distinguishing feature of this new phase is that the dominant wavelength is not, as would be expected, between that of the Sr sion and that of the Ba sion with respect to a given Eu doping level, but surprisingly much longer wavelength than the dominant wavelength of the corresponding Sr sion is shifted by at least 6 nm to longer wavelengths. Typical is a shift of 8 to 10 nm. The phase can be represented as M 1-c Si 2 O 2 N 2: Eu c with M = Sr 1-x Ba x .
Bevorzugt ist das Misch-Sion so gewählt, dass 0,42 ≤ x ≤ 0,70, insbesondere 0,45 ≤ x ≤ 0,55.Prefers is the mixed sion so chosen that 0.42 ≤ x ≤ 0.70, in particular 0.45 ≤ x ≤ 0.55.
Dabei werden die besten Ergebnisse mit relativ hohem Gehalt an dem Dotierstoff erzielt. In aller Regel ist der aktivierende Dotierstoff allein oder weit überwiegend Europium. Der Anteil c des Eu sollte zwischen 0,1 und 20 mol-% von M ausmachen, bevorzugt 5 bis 12 mol-%.there are the best results with a relatively high content of the dopant achieved. As a rule, the activating dopant is alone or far predominantly Europium. The proportion c of the Eu should be between 0.1 and 20 mol% of M, preferably 5 to 12 mol%.
Der neue Leuchtstoff zeichnet sich im Röntgenbeugungsdiffraktogramm (XRD-Spektrum) durch ein völlig anderes Reflexmuster als die bekannten Sione aus. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass auch andere Metalle in kleineren Mengen eine mindestens ternäre Verbindung für das Wirtsgitter des Misch-Sions aufbauen, die außer Sr und Ba auch andere zweiwertige Metallionen, insbesondere Ca, Mg, Zn und Mn, enthalten. Diese zeigen eine ähnliche Struktur wie das neue Misch-Sion, was an den gleichartigen Reflexen des Röntgenbeugungsdiffraktogramm s erkennbar ist.Of the new phosphor is characterized by X-ray diffraction pattern (XRD spectrum) a completely different reflex pattern than the well-known Sione. It is not excluded that also other metals in smaller quantities one at least ternary Connection for construct the host lattice of the mixed sion, which apart from Sr and Ba also other bivalent Metal ions, in particular Ca, Mg, Zn and Mn contained. These show a similar Structure like the new mixed-sion, due to the similar reflexes of the X-ray diffraction pattern s is recognizable.
Auffällig ist, dass der intensitätsstärkste Reflex des neuen Leuchtstoffs ein Doppelpeak ist, der gegenüber dem intensitätsstärksten XRD-Reflex von Sr-Sion, der bei Anregung durch Cu Kα bei etwa 31,6° liegt, zu kürzeren Winkeln hin verschoben ist. Es zeigt sich dabei in hoher Auflösung ein Doppelpeak mit Maxima bei etwa 29,8 und 31,3°. Auffällig ist ferner u.a., daß eine Gruppe von drei Reflexen im Röntgenbeugungsdiffraktogramm zwischen 52° und 58° auftritt, die bei normalen Sionen nicht vorhanden ist.Is striking, that the highest intensity reflex of the new phosphor is a double peak, which is opposite to the most intense XRD reflex of Sr-Sion, which is at about 31.6 ° when excited by Cu Kα, at shorter angles is postponed. It shows up in high resolution Double peak with maxima at about 29.8 and 31.3 °. It is also noticeable, inter alia, that a group of three reflections in the X-ray diffraction pattern between 52 ° and 58 ° occurs, which is not present in normal sions.
Eine mögliche Ursache für das Auftreten der neuen Phase, bei geeignetem Herstellverfahren, ist die sorgfältige Wahl der mittleren Ionengröße des Ions M2+. Sobald der mittlere Ionenradius eine kritische Größe unterschreitet, verschwindet eine blaue Bande, die von der reinen Ba-Sion-Phase wie oben diskutiert emittiert wird, nahezu vollständig. Dies kann bevorzugt erreicht werden durch gezielte Veränderung des Ba-Sr-Verhältnisses.One possible cause of the occurrence of the new phase, at a suitable production process is the careful choice of the mean ion size of the ion M 2+. As soon as the average ionic radius falls below a critical size, a blue band emitted from the pure Ba-sion phase discussed above disappears almost completely. This can preferably be achieved by targeted modification of the Ba-Sr ratio.
Beispielsweise bildet sich bei einem mittleren Ionenradius des Ions M2+ von höchstens 0,13 nm diese völlig neue Phase, die es so binär offenbar nur im Misch-Sion aus Sr und Ba gibt. Sie hat ein anderes Emissionsspektrum, bei der die blaue Bande keine Rolle spielt. In dieser Phase hängt die Lage der Emissionsbande sehr stark vom Dotiergehalt ab. Mit zunehmendem Gehalt an Eu verschiebt sich die Emission ausgeprägt langwellig.For example is formed at a mean ionic radius of the ion M2 + of at most 0.13 nm this completely new phase that makes it so binary apparently only in the mixed sion of Sr and Ba. She has another one Emission spectrum in which the blue band plays no role. In this phase depends the position of the emission band is very much dependent on the doping content. With increasing content of Eu, the emission shifts markedly long-wave.
Die neue Phase lässt sich beispielsweise gemäß folgender Vorschrift herstellen: Angesetzt werden die Carbonate der Metalle M, insbesondere die Carbonate von Sr und Ba. Sie werden mit SiO2, Si3N4, Eu2O3 gemischt. Bewährt hat sich die Verwendung eines halogenidhaltigen Flussmittels wie insbesondere SrF2, BaF2, SrCl2 oder NH4F. Diese Ansatzmischungen reagieren unter einer Erhitzung auf 1450 bis 1650°C in leicht reduzierender Atmosphäre, die bevorzugt zumindest eine der Komponenten wie Ar, N2, H2 bzw. Formiergas (N2/H2) enthält. Entscheidend dabei ist eine ausreichend gute Mischung der Sr- und Ba-Vorläufer.The new phase leaves For example, according to the following Prepare a regulation: The carbonates of the metals are used M, especially the carbonates of Sr and Ba. They are made with SiO2, Si3N4, Eu2O3 mixed. proven has become the use of a halide flux such as especially SrF2, BaF2, SrCl2 or NH4F. These batch mixtures react under heating to 1450-1650 ° C in light reducing atmosphere, which preferably at least one of the components such as Ar, N2, H2 or Forming gas (N2 / H2) contains. Crucial here is a sufficiently good mix of Sr and Ba precursors.
Eine andere Herstellungsroute, die weniger empfindlich im Hinblick auf die Mischung der Sr- und Ba-Vorläufer ist, geht über Orthosilikate.A other manufacturing route that is less sensitive with regard to the mixture of Sr and Ba precursors is over Orthosilicates.
Die XRD-Linien der neuen Phase können orthorhombisch indiziert werden. Die neue Phase lässt sich jedoch keiner bekannten Phase zuordnen. Eine Untersuchung des Zellvolumens unter dieser Annahme liefert allerdings überraschende Ergebnisse. Bei einer Anpassung der Gitterparameter an die gemessenen Diffraktogramme unter der Annahme der orthorhombischen Elementarzelle zeigt sich, dass das Zellvolumen merkwürdigerweise mit steigendem Ba-Gehalt zunächst deutlich abnimmt, obwohl mit Ba2+ ein größeres Kation gegen das kleinere Sr2+ ausgetauscht wird. Im Bereich von 30 bis 58 mol-% Ba ändert sich dann das scheinbare Zellvolumen kaum, danach steigt es wieder an. Dies lässt sich am einfachsten dadurch erklären, dass die gewählte Elementarzelle eben nicht der physikalisch relevanten Elementarzelle entspricht. Unabhängig davon ist jedoch klar, dass es bei geeigneter Herstellung drei deutlich voneinander unterscheidbare Bereiche im Misch-Sion (Sr,Ba)-Sion gibt. Ein erster Bereich ist das bekannte Sr-dominierte Misch-Sion (etwa 70 bis 100% Sr-Anteil), ein zweiter Bereich ist das bekannte Ba-dominierte Misch-Sion (etwa 70 bis 100 Ba-Anteil). Die neue Phase eines echten Misch-Sions tritt bei geeignet gewählten Herstellbedingungen im Bereich 30 bis 70% Sr-Anteil, Rest Ba, auf. besonders gut ausgeprägt ist die neue Phase im Beriech 30 bis 58 mol-% Ba, vor allem bei 45 bis 55 mol-% Ba.The XRD lines of the new phase can be indicated orthorhombisch. The new phase, however, can be assign no known phase. An examination of the cell volume however, this assumption provides surprising results. at an adaptation of the lattice parameters to the measured diffractograms assuming the orthorhombic unit cell shows, strangely enough, the cell volume with increasing Ba content first decreases significantly, though with Ba2 + a larger cation versus the smaller one Sr2 + is exchanged. In the range of 30 to 58 mol% Ba changes then the apparent cell volume hardly, then it rises again. This leaves the easiest way to explain this that the chosen one Elementary cell just not the physically relevant unit cell equivalent. Independently however, it is clear that if suitably manufactured, it will be three distinct mutually distinguishable regions in the mixed sion (Sr, Ba) -Sion gives. A first Range is the well-known Sr-dominated mixed sion (about 70 to 100% Sr content), a second region is the well-known Ba-dominated mixed sion (approx 70 to 100 Ba content). The new phase of a real mixed-sion occurs when suitably chosen Production conditions in the range 30 to 70% Sr content, balance Ba, on. very good the new phase is in the range of 30 to 58 mol% Ba, especially at 45 to 55 mol% Ba.
Die neue Phase bleibt auch erhalten, wenn man geringe Mengen anderer zweiwertiger Ionen hinzufügt. Bei Zugabe von Ca verschiebt sich der mögliche Ba-Anteil zu höheren Anteilen.The new phase is also preserved when you use small amounts of others adds divalent ions. When Ca is added, the possible Ba content shifts to higher levels.
Der Befund einer neuen Phase wird dadurch gestützt, dass reines Sr-Sion grün emittiert und reines Ba-Sion sogar noch kurzwelliger emittiert, nämlich blaugrün. Dagegen emittiert das neue Misch-Sion gelb, also langwelliger als reines Sr-Sion.Of the The finding of a new phase is supported by the fact that pure Sr-Sion emits green and pure Ba-Sion emits even more shortwave, namely teal. On the other hand The new mixed sion emits yellow, ie longer-wave than pure Sr Sion.
Für Anwendungen bei weißen LEDs wird typisch ein Eu-Gehalt von 5 bis 20% gewählt, so dass die Dominanzwellenlänge des Leuchtstoff im gelben Spektralbereich bei mindestens 569 nm liegt. Typisch ist ein Wert von c = 0,1, also ein Eu-Anteil von 10% an M. Das entspricht einer Dominanzwellenlänge von etwa 573 nm.Typically, for white LED applications, an Eu content of 5 to 20% is chosen so that the phosphor's dominant wavelength in the yellow spectral range is at least 569 nm. A value of c = 0.1 is typical, ie an Eu proportion of 10% of M. This corresponds to a dominant wavelength of about 573 nm.
Dadurch
kann der bekannte gelbe Granatleuchtstoff YAG:Ce durch einen neuartigen
Oxinitrid-Leuchtstoff Sr1-xBaxSi2O2N2:Eu mit 0.7 ≥ x ≥ 0.3, für gelbe Emission,
ersetzt werden. Dieser Leuchtstoff besitzt in der Zusammensetzung
mit x um 0.5 und 10% Eu-Dotierung in etwa dieselbe Dominanzwellenlänge wie
alternative Gelbleuchtstoffe (Granate, Orthosilikate). Der Leuchtstoff,
dessen Emissionsbande überraschenderweise
nicht zwischen Blaugrün
(BaSi2O2N2:Eu) und Gelbgrün
(SrSi2O2N2:Eu) liegt, sondern gegenüber beiden Verbindungen langwellig
ins Gelbe verschoben ist, besitzt zwei wichtige Vorteile gegenüber dem
Stand der Technik, wie er durch den Einsatz von Granatleuchtstofffen
charakterisiert ist (Orthosilikate sind noch deutlich ineffizienter
als YAG:Ce):
Erstens ist der visuelle Nutzeffekt je nach Verbindung
10–15%
höher als
bei vergleichbaren Granatleuchtstoffen. Und zweitens verringert
sich der Konversionseffizienzverlust bei 150°C von mindestens 20% im Fall
von Granat-Leuchtstoffen
auf etwa 7%.As a result, the known yellow garnet phosphor YAG: Ce can be replaced by a novel oxinitride phosphor Sr1-xBaxSi2O2N2: Eu with 0.7 ≥ x ≥ 0.3, for yellow emission. This phosphor has in the composition with x by 0.5 and 10% Eu doping in about the same dominance wavelength as alternative Gelbleuchtstoffe (garnets, orthosilicates). The phosphor whose emission band is surprisingly not between blue-green (BaSi2O2N2: Eu) and yellow-green (SrSi2O2N2: Eu), but is long-wave yellow in relation to both compounds, has two important advantages over the prior art, as he by the use of garnet phosphors is characterized (orthosilicates are even more inefficient than YAG: Ce):
First, the visual benefit, depending on the compound 10-15% higher than comparable garnet phosphors. And secondly, the conversion efficiency loss at 150 ° C decreases from at least 20% in the case of garnet phosphors to about 7%.
Damit beträgt der potenzielle Effizienzvorteil bei einer weißen LED (Farbort x/y = 0.33/0.33) auf Basis des neuen Leuchtstoffs und einer 455 nm Primär-LED bei 150 °C ca. +20% im Vergleich zu einer YAG:Ce-basierten Lösung (x/y = 0.32/0.33). Der Effizienzvorteil erhöht sich bei kürzeren Anregungswellenlängen, da die Konversionseffizienz gegenüber YAG zunimmt.In order to is the potential efficiency advantage of a white LED (color location x / y = 0.33 / 0.33) based on the new phosphor and a 455 nm primary LED 150 ° C approx. + 20% compared to a YAG: Ce-based solution (x / y = 0.32 / 0.33). Of the Efficiency advantage increased at shorter Excitation wavelengths, as the conversion efficiency to YAG increases.
Erstaunlicherweise entspricht das Röntgenbeugungsdiffraktogramm und damit die Struktur von SrBa-SiON weder der des Ba-SiONs noch der des Sr-SiONs. Beim SrBa-SiON werden deutlich weniger Linien im Röntgenbeugungsdiffraktogramm beobachtet als beim Sr-SiON, was belegt, dass es sich um eine höher symmetrische neue Phase handelt.Amazingly, corresponds to the X-ray diffraction pattern and thus the structure of SrBa-SiON neither the Ba-SiON nor that of Sr-SiON. With the SrBa SiON significantly fewer lines in the x-ray diffraction observed as the Sr-SiON, which proves that it is a higher symmetric new phase.
Bedingt durch immer weiter steigenden Leistungen der LEDs sowie immer breitere Anwendungsfelder werden in Zukunft LED-Temperaturen (Junction Temperatures) von über 150 °C erreicht. Bei diesen hohen Temperaturen setzt auch bei dem bisher effizientesten gelben Granatleuchtstoffen wie YAG:Ce bereits eine merkliche Temperaturlöschung der Lumineszenz ein (Thermal Quenching). Sie verlieren mindestens 20% ihrer Konversionseffizienz im Verhältnis zur Effizienz bei Raumtemperatur. Bisher wurde die LED-Temperatur durch aufwendige Kühlungsmaßnahmen, die vom Markt in vielen Fällen nicht toleriert werden und bei vielen Anwendungen aus Platzgründen nicht möglich sind, auf möglichst niedrigen Temperaturen gehalten. Das neue Misch-Sion bietet hier eine überlegene Lösung.conditioned due to ever increasing power of the LEDs as well as ever broader Fields of application will in the future be LED temperatures (junction temperatures) from above 150 ° C reached. At these high temperatures is also the most efficient yellow garnet phosphors such as YAG: Ce already a noticeable temperature quenching of Luminescence on (thermal quenching). You lose at least 20% their conversion efficiency in relation to the efficiency at room temperature. So far, the LED temperature has been through complex cooling measures, that from the market in many cases can not be tolerated and in many applications for reasons of space not possible are, as possible kept low temperatures. The new Misch-Sion offers here a superior one Solution.
Es kann aber auch für andere Lichtquellen eingesetzt werden, beispielsweise gewöhnliche Lampen wie Hochdruckentladungslampen und Leuchtstofflampen.It but also for other light sources are used, for example ordinary Lamps such as high pressure discharge lamps and fluorescent lamps.
Die neue Mischphase kann auch mit anderen Phasen von Sionen, insbesondere Sr-Sion, gemischt werden.The new mixed phase can also be used with other phases of sions, in particular Sr-Sion, to be mixed.
Besonders überaschend ist, dass die neue Phase sogar effizienter als Granat-Leuchtstoffe sein kann und damit sogar YAG:Ce ersetzen kann.Especially surprising is that the new phase will be even more efficient than garnet phosphors can and thus even YAG: Ce can replace.
Um die neue Phase möglichst rein zu erhalten, muss ein geeignetes Herstellverfahren angewendet werden. Dabei empfiehlt sich weniger die Synthese aus Nitriden, wie meist bisher angewendet, weil Nitride nicht besonders feinkörnig lieferbar sind. Um eine innige Mischung der Sr- und Ba-Vorläufer zu erreichen, ist es jedoch günstig, möglichst feinkörnige Sr- und Ba-Vorläufer zu verwenden, die ein maximales d50 (mit Sedigraph gemessen) von höchstens 5 μm, bevorzugt sogar höchstens 3 μm, besitzen. Gute Ergebnisse werden mit Vorläufern erzielt, die zwischen 1 und 2 μm als d50 aufweisen.Around the new phase as possible To obtain pure, a suitable manufacturing process must be used. It is less recommended the synthesis of nitrides, as usually previously used, because nitrides are not available especially fine-grained are. To add an intimate mixture of the Sr and Ba precursors However, it is preferably fine-grained Sr and Ba precursors to use a maximum d50 (measured with Sedigraph) of at the most 5 μm, preferably even at most 3 microns, own. Good results come with precursors scores between 1 and 2 μm as d50.
Am einfachsten läst sich das neue Sion über eine Orthosilikat-Route herstellen, aber auch eine geeignet modifzierte Synthese aus Carbonaten ist möglich, insbesondere unter Verwendung eines relativ hohen Anteils von Dotierstoffen. Besonders ein hoher Eu-Gehalt von mindestens 1%, vorteilhaft mindestens 5%, scheint die Ausbildung der neuen Phase zu begünstigen. Insbesondere ist die Strahlungsstabilität des neuen Misch-Sions höher als bei den vorbekannten Phasen.At the easiest ones the new Sion over produce an orthosilicate route, but also a suitably modified Synthesis from carbonates is possible in particular using a relatively high proportion of dopants. Especially a high Eu content of at least 1%, preferably at least 5%, seems to favor the training of the new phase. In particular, the radiation stability of the new mixed sion is higher than in the previously known phases.
Besonders geeignet ist der neue Leuchtstoff zum Einsatz bei weißen LEDs. Dabei kann ein x-Wert für Ba von 30 bis 70% eingesetzt werden, bei gleichzeitiger Verwendung eines relativ hohen Eu-Gehalts von mindestens 5%. Er eignet sich sehr gut für die Anregung im Spektralbereich bei 440 bis 465 nm, besonders gut lässt sich damit die Anregung durch eine Peakwellenlänger der LED bei 440 bis 450 nm erzielen. Die Dominanzwellenlänge des Leuchtstoffs lässt sich dabei sehr gut auf einen Bereich zwischen 569 und 578 nm einstellen.Particularly suitable is the new phosphor for use with white LEDs. An x-value for Ba of 30 to 70% can be used, while using a relatively high Eu content of at least 5%. It is very well suited for the excitation in the spectral range at 440 to 465 nm, which is particularly good at excitation by a peak wavelength of the LED at 440 to 450 nm. The dominant wavelength of the phosphor can be very well in a range between 569 and 578 nm put.
Kurze Beschreibung der Zeichnungenshort Description of the drawings
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:in the The invention is based on several embodiments be explained in more detail. The figures show:
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindungpreferred embodiment the invention
Es lässt sich jedoch auch gut zusammen mit Sr-Sion oder anderen Sionen oder Nitriden wie (Sr,Ca)Si5N8:Eu oder CaAlSiN3:Eu kombinieren. Insbesondere bei Verwendung zusammen mit Sr-Sion wird somit die gesamte Emission je nach Anteil zwischen grün (reines Sr-SiON:Eu) und gelb (neuartiges Misch-Sion SrBa-SiON:Eu) kontinuierlich verschoben. Damit kann insbesondere die Farbe verändert werden. Diese Kombination eignet sich in Verbindung mit einem Rot-Leuchtstoff besonders gut für warmweiße LED mit Farbtemperatur von 2800 bis 3800 K, wobei ein hoher Ra von mindestens 85 erzielt werden kann.It let yourself but also good with Sr-Sion or other sions or nitrides such as (Sr, Ca) Si5N8: Eu or CaAlSiN3: Eu combine. Especially at Use together with Sr-Sion will thus reduce the total emission depending on the proportion between green (pure Sr-SiON: Eu) and yellow (novel mixed-sion SrBa-SiON: Eu) moved continuously. This can be changed in particular the color. This combination is suitable in combination with a red phosphor especially good for warm white LED with color temperature from 2800 to 3800 K, with a high Ra of at least 85 can be achieved.
Zur Anpassung des Emissionsverhaltens kann auch ein ternäres Misch-Sion, basierend auf dem Sr-Ba-Sion, verwendet werden. Dafür eignet sich insbesondere Ca in kleinen Mengen. Alternativ kann auch ein anderes zweiwertiges Ion mit ähnlich geringem Ionenradius wie Ca verwendet werden. Ein ähnlich geringer Ionenradius wird insbesondere bei Zugabe von Zn, Mg, Mn und Yb statt oder zusammen mit Ca erzielt. Dabei sollen die Anteile so gering sein, dass die typische Struktur des Misch-Sions erhalten bleibt, und insbesondere der Doppelpeak bei 2 ϴ = 31,2° (bezogen auf Cu K α) deutlich zutage tritt.To adapt the emission behavior, a ternary mixed sion based on the Sr-Ba-sion can also be used. In particular, Ca is suitable in small quantities. Alternatively, another bivalent ion with a similar low ionic radius as Ca may be used. A similar low ionic radius is achieved in particular with addition of Zn, Mg, Mn and Yb instead of or together with Ca. The proportions should be so small that the typical structure of the mixed sion is maintained, and in particular the double peak at 2 Θ = 31.2 ° (relative to Cu K α) clearly emerges.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen neuartigen Leuchtstoffs kann über die Orthosilikat-Route erfolgen. Dabei werden zunächst Carbonate von Sr und von Ba zusammen mit SiO2 und einem Flussmittel wie SrF2 o.ä. sowie einem Eu-Vorläufer intensiv gemischt und homogenisiert. Anschließend wird daraus ein Orthosilikat synthetisiert, indem das Gemisch in einem Al2O3-Tiegel unter Formiergas geglüht wird. diese erfolgt stufenweise über mehrere Stunden bis zu einer Temperatur von etwa 1100 bis 1400 °C. Das Orthosilikat wird anschließend mit Si3N4 gemischt und homogenisiert, und dieses Gemisch wird anschließend in leicht reduzierender Atmosphäre (Ar oder N2 oder H2 oder Mischungen) im Wolfram-Tiegel geglüht. Dabei wird die Temperatur stufenweise über mehrere Stunden auf bis zu 1400 bis 1600 °C angehoben.The preparation of the novel phosphor according to the invention can take place via the orthosilicate route. First, carbonates of Sr and Ba together with SiO2 and a flux such as SrF2 or the like. and an Eu precursor intensively mixed and homogenized. Subsequently, an orthosilicate is synthesized by annealing the mixture in an Al 2 O 3 crucible under forming gas. this takes place gradually over several hours up to a temperature of about 1100 to 1400 ° C. The orthosilicate is then mixed with Si3N4 and homogenized, and this mixture is then annealed in a slightly reducing atmosphere (Ar or N2 or H2 or mixtures) in the tungsten crucible. The temperature is gradually increased over several hours up to 1400 to 1600 ° C.
Tab. 1 Tab. 1
Die Herstellung des erfindungsgemäßen neuartigen Leuchtstoffs ist auch über die Carbonat-Route möglich. Tab. 1 zeigt die Herstellung des Misch-Sions Sr0.45Ba0,45Eu0,1Si2O2N2. Dabei wird für die Vorläufer SrCO3 und BaCO3 eine mittlere Korngröße von etwa 1,6 μm verwendet.The preparation of the novel phosphor according to the invention is also possible via the carbonate route. Table 1 shows the preparation of the mixed sion Sr 0.45 Ba 0.45 Eu 0.1 Si 2 O 2 N 2 . In this case, a mean particle size of approximately 1.6 μm is used for the precursors SrCO3 and BaCO3.
Die Herstellung erfolgt in der Weise, dass zunächst die Ausgangsstoffe SrCO3 BaCO3, (oder auch BaSrCO3,), SrF2, Si3N4 und SiO2 intensiv miteinander gemischt werden und die Mischung anschließend im Ofen bei 1500 bis 1600 °C unter leicht reduzierender Atmosphäre über 8 Std. geglüht wird. Dabei wird ein im wesentlichen stöchiometrischer Ansatz genommen, siehe die Tab. 1.The preparation is carried out in such a way that initially the starting materials SrCO 3 BaCO 3 , (or BaSrCO 3, ), SrF 2, Si 3 N 4 and SiO 2 are mixed thoroughly with each other and the mixture then in the oven at 1500 to 1600 ° C under slightly reducing atmosphere is annealed for 8 hours. In this case, a substantially stoichiometric approach is taken, see Tab. 1.
Selbstverständlich muss
das gezeigte Sion keine exakte Stöchiometrie MSi2O2N2 aufweisen,
sondern nur dessen grundsätzliche
Formel. Dabei sind auch Abweichungen erlaubt. Ein derartiger Leuchtstoff lässt sich
als ein vornehmlich gelb emittierender Oxinitrid-Leuchtstoff beschreiben,
mit einer Stöchiometrie:
MSi2O2+δN2-(2/3)δ, wobei
M = (Sr1-xBax)1-cEuc Of course, the Sion shown does not have to have an exact stoichiometry MSi2O2N2, but only its basic formula. Deviations are also allowed. Such a phosphor can be described as a primarily yellow-emitting oxynitride phosphor having a stoichiometry:
MSi 2 O 2 + δ N 2- (2/3) δ , where M = (Sr 1 -x Ba x ) 1-c Eu c
Für δ gilt
1 ≥ δ ≥ –1, vorzugsweise
0.35 ≥ δ ≥ –0.35.For δ applies
1 ≥ δ ≥ -1, preferably 0.35 ≥ δ ≥ -0.35.
Eine Analyse des O- und N-Gehalts ergibt beispielsweise 14,4 Gew.-% O und 10,0 Gew.-% N, was nominell einem δ von +0,29 entspricht. Allerdings ist nicht auszuschließen, daß eine Abweichung der gemessenen Werte von der Theorie durch noch in geringem Maße vorhandene Fremdphasen wie insbesondere SiO2 und Si2ON2 beeinflusst ist, so dass im konkreten Fall der wahre Wert von δ bei etwa 0,25 bis 0,35 liegt. Typisch können auch Verunreinigungen kleiner 200 ppm infolge Verunreinigung der Ausgangsmaterialien entstehen. Diese geringen Verunreinigungen verändern aber die Eigenschaften des Leuchtstoffs nicht grundlegend.A Analysis of the O- and N-contents gives, for example, 14.4% by weight of O. and 10.0 wt% N, which is nominally equal to a δ of +0.29. Indeed can not be ruled out, that one Deviation of the measured values from the theory by still in small Dimensions available Foreign phases such as in particular SiO2 and Si2ON2 is affected, so that in the concrete case the true value of δ is about 0.25 to 0.35. Typically you can also impurities less than 200 ppm due to contamination of the Starting materials are formed. But these small impurities change the properties of the phosphor are not fundamental.
Eine qualitativ besonders hochwertige weiße LED mit hohem Ra lässt sich erzielen, wenn das erfindungsgemäße gelbe Misch-Sion zusammen mit weiteren Leuchtstoffen verwendet wird. Diese sollen insbesondere das Spektrum im roten Spektralbereich auffüllen. Geeignete Kandidaten sind hier insbesondere rote Nitride und rote Sulfide wie an sich bekannt. Beispiele sind CaAlSiN3:Eu, und (Sr,Ca,Zn)S:Eu oder auch (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu.A particularly high-quality white LED with a high Ra can be achieved if the yellow mixed ion according to the invention is used together with other phosphors. These should be especially special fill the spectrum in the red spectral range. Suitable candidates here are in particular red nitrides and red sulfides as known per se. Examples are CaAlSiN3: Eu, and (Sr, Ca, Zn) S: Eu or also (Ba, Sr, Ca) 2Si5N8: Eu.
In der Tab. 2 ist die Dominanzwellenlänge von reinem Sr-Sion als Funktion des Europium-Dotiergehalts gezeigt. Dies dient als Anhaltspunkt für die erreichbare Verschiebung mittels des Misch-Sions, die bei mindestens 6 nm, häufig mindestens 8 nm, hin zu längeren Wellenlängen liegt.In Tab. 2 is the dominant wavelength of pure Sr-sion as Function of the europium doping content shown. This serves as a guide for the achievable displacement by means of the mixed sion, which at least 6 nm, often at least 8 nm, towards longer ones wavelength lies.
Schließlich zeigt
In Tab. 3 ist schließlich ein Vergleich verschiedener Daten für wesentliche Leuchtstoffe gezeigt.In Table 3 is finally a comparison of different data for essential phosphors shown.
Der
Aufbau einer Lichtquelle für
weißes
Licht ist in
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gemäß
Tab. 2 Tab. 2
Claims (13)
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